In dieser Arbeit werden die zu einem m-sektoriellen Operator assoziierten Halbgruppen betrachtet, die die Lösungen des Anfangswertproblems der zugehörigen Evolutionsgleichung beschreiben. Es wird eine 1987 von Davies veröffentlichte Methode zur Abschätzung dieser Halbgruppen verallgemeinert. Einen Schwerpunkt bilden die zu Dirichlet-Formen assoziierten Markov-Halbgruppen. Für diese werden die Resultate spezialisiert und der Zusammenhang zur intrinsischen Metrik dargelegt. Die Arbeit schließt mit verschiedenen Beispielen, die zeigen, wie mit diesen Verallgemeinerungen von Davies Methode neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können. / This thesis is about m-sectorial operators and their associated semigroups describing the solutions of the initial value problem of the corresponding evolution equation. We generalize a method published by Davies 1987 to estimate these semigroups. A focus is set on Markov semigroups associated with Dirchlet forms. The results are applied to them and the connection to the intrinsic metric is presented. The thesis ends with different examples showing how this generalization of Davies method can be applied into new fields of application.

In dieser Arbeit werden die zu einem m-sektoriellen Operator assoziierten Halbgruppen betrachtet, die die Lösungen des Anfangswertproblems der zugehörigen Evolutionsgleichung beschreiben. Es wird eine 1987 von Davies veröffentlichte Methode zur Abschätzung dieser Halbgruppen verallgemeinert. Einen Schwerpunkt bilden die zu Dirichlet-Formen assoziierten Markov-Halbgruppen. Für diese werden die Resultate spezialisiert und der Zusammenhang zur intrinsischen Metrik dargelegt. Die Arbeit schließt mit verschiedenen Beispielen, die zeigen, wie mit diesen Verallgemeinerungen von Davies Methode neue Anwendungsgebiete erschlossen werden können.:Einleitung Funktionalanalytische Grundlagen Spezielle Halbgruppeneigenschaften Symmetrische Dirichlet-Formen Obere Schranken für die Halbgruppe Anwendungen Ausblick Komplexe Maße Anhang / This thesis is about m-sectorial operators and their associated semigroups describing the solutions of the initial value problem of the corresponding evolution equation. We generalize a method published by Davies 1987 to estimate these semigroups. A focus is set on Markov semigroups associated with Dirchlet forms. The results are applied to them and the connection to the intrinsic metric is presented. The thesis ends with different examples showing how this generalization of Davies method can be applied into new fields of application.:Einleitung Funktionalanalytische Grundlagen Spezielle Halbgruppeneigenschaften Symmetrische Dirichlet-Formen Obere Schranken für die Halbgruppe Anwendungen Ausblick Komplexe Maße Anhang

Any Riemannian manifold possesses a minimal solution of the heat equation for the Dirichlet Laplacian, called the heat kernel. During the last decades many authors investigated geometric properties of the manifold such that its heat kernel fulfills a so-called Gaussian upper bound. Especially compact and non-compact manifolds with lower bounded Ricci curvature have been examined and provide such Gaussian estimates. In the compact case it ended even with integral Ricci curvature assumptions. The important techniques to obtain Gaussian bounds are the symmetrization procedure for compact manifolds and relative Faber-Krahn estimates or gradient estimates for the heat equation, where the first two base on isoperimetric properties of certain sets. In this thesis, we generalize the existing results to the following. Locally uniform integral bounds on the negative part of Ricci curvature lead to Gaussian upper bounds for the heat kernel, no matter whether the manifold is compact or not. Therefore, we show local isoperimetric inequalities under this condition and use relative Faber-Krahn estimates to derive explicit Gaussian upper bounds. If the manifold is compact, we can even generalize the integral curvature condition to the case that the negative part of Ricci curvature is in the so-called Kato class. We even obtain uniform Gaussian upper bounds using gradient estimate techniques. Apart from the geometric generalizations for obtaining Gaussian upper bounds we use those estimates to generalize Bochner’s theorem. More precisely, the estimates for the heat kernel obtained above lead to ultracontractive estimates for the heat semigroup and the semigroup generated by the Hodge Laplacian. In turn, we can formulate rigidity results for the triviality of the first cohomology group if the amount of curvature going below a certain positive threshold is small in a suitable sense. If we can only assume such smallness of the negative part of the Ricci curvature, we can bound the Betti number by explicit terms depending on the generalized curvature assumptions in a uniform manner, generalizing certain existing results from the cited literature. / Jede Riemannsche Mannigfaltigkeit besitzt eine minimale Lösung für die Wärmeleitungsgleichung des zur Mannigfaltigkeit gehörigen Dirichlet-Laplaceoperators, den Wärmeleitungskern. Während der letzten Jahrzehnte fanden viele Autoren geometrische Eigenschaften der Mannigfaltigkeiten unter welchen der Wärmeleitungskern eine sogenannte Gaußsche obere Abschätzung besitzt. Insbesondere bestizen sowohl kompakte als auch nichtkompakte Mannigfaltigkeiten mit nach unten beschränkter Ricci-Krümmung solche Gaußschen Abschätzungen. Im kompakten Fall reichten bisher sogar Integralbedingungen an die Ricci-Krümmung aus. Die wichtigen Techniken, um Gaußsche Abschätzungen zu erhalten, sind die Symmetrisierung für kompakte Mannigfaltigkeiten und relative Faber-Krahn- und Gradientenabschätzungen für die Wärmeleitungsgleichung, wobei die ersten beiden auf isoperimetrischen Eigenschaften gewisser Mengen beruhen. In dieser Arbeit verallgemeinern wir die bestehenden Resultate im folgenden Sinne. Lokal gleichmäßig beschränkte Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung ergeben Gaußsche obere Abschätzungen sowohl im kompakten als auch nichtkompakten Fall. Dafür zeigen wir lokale isoperimetrische Ungleichungen unter dieser Voraussetzung und nutzen die relativen Faber-Krahn-Abschätzungen für eine explizite Gaußsche Schranke. Für kompakte Mannigfaltigkeiten können wir sogar die Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung durch die sogenannte Kato-Bedingung ersetzen. In diesem Fall erhalten wir gleichmäßige Gaußsche Abschätzungen mit einer Gradientenabschätzung. Neben den geometrischen Verallgemeinerungen für Gaußsche Schranken nutzen wir unsere Ergebnisse, um Bochners Theorem zu verallgemeinern. Wärmeleitungskernabschätzungen ergeben ultrakontraktive Schranken für die Wärmeleitungshalbgruppe und die Halbgruppe, die durch den Hodge-Operator erzeugt wird. Damit können wir Starrheitseigenschaften für die erste Kohomologiegruppe zeigen, wenn der Teil der Ricci-Krümmung, welcher unter einem positiven Level liegt, in einem bestimmten Sinne klein genug ist. Wenn der Negativteil der Ricci-Krümmung nicht zu groß ist, können wir die erste Betti-Zahl noch immer explizit uniform abschätzen.

Es sei Γ eine torsionsfreie arithmetische Untergruppe der symplektischen Gruppe Sp(n,R), die auf dem Siegelschen oberen Halbraum H_n vom Grad n wirkt. Wir betrachten den d-dimensionalen Raum der Siegelschen Spitzenformen vom Gewicht k zur Gruppe Γ, mit einer Orthonormalbasis {f_1,…,f_d}. In der vorliegenden Dissertation zeigen wir mit Hilfe des Wärmeleitungskerns, dass die Supremumsnorm von S_k(Z):=det(Y)^k (|f_1(Z)|^2+…+|f_d(Z)|^2) (Z∈H_n) für n=2 ohne zusätzliche Bedingungen und für n>2 unter Annahme einer vermuteten Determinanten-Ungleichung nach oben beschränkt ist. Wenn M:=Γ\H_n kompakt ist, dann ist die obere Schranke durch c_(n,Γ) k^{n(n+1)/2} gegeben. Wenn M nicht kompakt und von endlichem Volumen ist, dann ist die obere Schranke durch c_(n,Γ) k^{3n(n+1)/4} gegeben. In beiden Fällen ist c_(n,Γ) eine positive reelle Konstante, die nur vom Grad n und der Gruppe Γ abhängt. Wir zeigen weiter, dass die obere Schranke in dem Sinne gleichmäßig ist, dass bei fixierter Gruppe Γ_0 die Konstante c_(n,Γ) für Untergruppen Γ von endlichem Index nur vom Grad n und der Gruppe Γ_0 abhängt. / Let Γ be a torsion-free arithmetic subgroup of the symplectic group Sp(n,R) acting on the Siegel upper half-space H_n of degree n. Consider the d-dimensional space of Siegel cusp forms of weight k for Γ with an orthonormal basis {f_1,…,f_d}. In this thesis we show using the heat kernel method that for n=2 unconditionally and for n>2 subject to a conjectural determinant-inequality, the sup-norm of the quantity S_k(Z):=det(Y)^k (|f1(Z)|^2+…+|f_d(Z)|^2) (Z∈H_n) is bounded above by c_(n,Γ) k^{n(n+1)/2} when M:=Γ\H_n is compact and by c_(n,Γ) k^{3n(n+1)/4} when M is non-compact of finite volume, where c_(n,Γ) denotes a positive real constant depending only on the degree n and the group Γ. Furthermore, we show that this bound is uniform in the sense that if we fix a group Γ_0 and take Γ to be a subgroup of Γ_0 of finite index, then the constant c_(n,Γ) in these bounds depends only on the degree n and the fixed group Γ_0.

Das Hauptresultat dieser Arbeit ist ein regularisierter arithmetischer Satz von Riemann-Roch für ein hermitesches Geradenbündel, die isometrisch zum Geradenbündel den Spitzenformen vom geraden Gewicht ist, auf eine arithmetische Fläche, deren komplexe Faser isometrisch zu einer hyperbolischen Riemannschen Fläche ohne elliptische Punkte ist. Der Beweis des Resultats erfolgt durch metrische Degeneration: Wir regularisieren die betreffenden Metriken in einer Umgebung der Singularitäten, wenden dann den arithmetischen Riemann-Roch-Satz von Gillet und Soulé an und lassen schließlich den Parameter gegen Null gehen. Durch die metrische Degeneration entsteht auf beiden Seiten der Formel ein divergenter Term. Die asymptotische Entwicklung der Divergenz berechnet sich auf der einen Seite direkt aus der Definition der glatten arithmetischen Selbstschnittzahlen. Der divergente Term auf der anderen Seite ist die zeta-regularisierte Determinante des zu den regularisierten Metriken assoziierten Laplace-Operators, der auf den 1-Formen mit Werten in dem betrachteten hermitischen Geradenbündel operiert. Wir definieren und berechnen zuerst eine Regularisiereung des entsprechenden zu den singulären Metriken assoziierten Laplace-Operators; diese wird später im regularisierten Riemann-Roch-Satz auftauchen. Zu diesem Zweck passen wir Ideen von Jorgenson-Lundelius, D'Hoker-Phong und Sarnak auf die vorliegende Situation an und verallgemeinern diese. Schließlich beweisen wir eine Formel für den zum betrachteten hermitischen Geradenbündel assoziierten Wärmeleitungskern auf der Diagonalen bei einer Modellspitze. Diese Darstellung steht im Zusammenhang mit einer Entwicklung nach zur Whittaker-Gleichung assoziierten Eigenfunktionen, die im Anhang bewiesen wird. Weitere Abschätzungen des zum betrachteten hermitischen Geradenbündel gehörigen Wärmeleitungskern auf der komplexe Faser der arithmetischen Fläche schließen den Beweis des Hauptresultats ab. / The main result of the dissertation is an arithmetic Riemann-Roch theorem for the hermitian line bundle of cusp form of given even integer weights on an arithmetic surface whose complex fiber is isometric to an hyperbolic Riemann surface without elliptic points. The proof proceeds by metric degeneration: We regularize the metric under consideration in a neighborhood of the singularities, then we apply the arithmetic Riemann-Roch theorem of Gillet and Soulé, and finally we let the parameter go to zero. Both sides of the formula blow up through metric degeneration. On one side the exact asymptotic expansion is computed from the definition of the smooth arithmetic intersection numbers. The divergent term on the other side is the zeta-regularized determinant of the Laplacian acting on 1-forms with values in the chosen hermitian line bundle associated to the regularized metrics. We first define and compute a regularization of the determinant of the corresponding Laplacian associated to the singular metrics, which will later occur int he regularized arithmetic Riemann-Roch theorem. To do so we adapt and generalize ideas od Jorgenson-Lundelius, D'Hoker-Phong, and Sarnak. Then, we prove a formula for the on-diagonal heat kernel associated to the chosen hermitian line bundle on a model cusp, from which its behavior close to a cusp is transparent. This expression is related to an expansion in terms of eigenfunctions associated to the Whittaker equation, which we prove in an appendix. Further estimates on the heat kernel associated to the chosen hermitian line bundle on the complex fiber of the arithmetic surface prove the main theorem.

Any Riemannian manifold possesses a minimal solution of the heat equation for the Dirichlet Laplacian, called the heat kernel. During the last decades many authors investigated geometric properties of the manifold such that its heat kernel fulfills a so-called Gaussian upper bound. Especially compact and non-compact manifolds with lower bounded Ricci curvature have been examined and provide such Gaussian estimates. In the compact case it ended even with integral Ricci curvature assumptions. The important techniques to obtain Gaussian bounds are the symmetrization procedure for compact manifolds and relative Faber-Krahn estimates or gradient estimates for the heat equation, where the first two base on isoperimetric properties of certain sets. In this thesis, we generalize the existing results to the following. Locally uniform integral bounds on the negative part of Ricci curvature lead to Gaussian upper bounds for the heat kernel, no matter whether the manifold is compact or not. Therefore, we show local isoperimetric inequalities under this condition and use relative Faber-Krahn estimates to derive explicit Gaussian upper bounds. If the manifold is compact, we can even generalize the integral curvature condition to the case that the negative part of Ricci curvature is in the so-called Kato class. We even obtain uniform Gaussian upper bounds using gradient estimate techniques. Apart from the geometric generalizations for obtaining Gaussian upper bounds we use those estimates to generalize Bochner’s theorem. More precisely, the estimates for the heat kernel obtained above lead to ultracontractive estimates for the heat semigroup and the semigroup generated by the Hodge Laplacian. In turn, we can formulate rigidity results for the triviality of the first cohomology group if the amount of curvature going below a certain positive threshold is small in a suitable sense. If we can only assume such smallness of the negative part of the Ricci curvature, we can bound the Betti number by explicit terms depending on the generalized curvature assumptions in a uniform manner, generalizing certain existing results from the cited literature. / Jede Riemannsche Mannigfaltigkeit besitzt eine minimale Lösung für die Wärmeleitungsgleichung des zur Mannigfaltigkeit gehörigen Dirichlet-Laplaceoperators, den Wärmeleitungskern. Während der letzten Jahrzehnte fanden viele Autoren geometrische Eigenschaften der Mannigfaltigkeiten unter welchen der Wärmeleitungskern eine sogenannte Gaußsche obere Abschätzung besitzt. Insbesondere bestizen sowohl kompakte als auch nichtkompakte Mannigfaltigkeiten mit nach unten beschränkter Ricci-Krümmung solche Gaußschen Abschätzungen. Im kompakten Fall reichten bisher sogar Integralbedingungen an die Ricci-Krümmung aus. Die wichtigen Techniken, um Gaußsche Abschätzungen zu erhalten, sind die Symmetrisierung für kompakte Mannigfaltigkeiten und relative Faber-Krahn- und Gradientenabschätzungen für die Wärmeleitungsgleichung, wobei die ersten beiden auf isoperimetrischen Eigenschaften gewisser Mengen beruhen. In dieser Arbeit verallgemeinern wir die bestehenden Resultate im folgenden Sinne. Lokal gleichmäßig beschränkte Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung ergeben Gaußsche obere Abschätzungen sowohl im kompakten als auch nichtkompakten Fall. Dafür zeigen wir lokale isoperimetrische Ungleichungen unter dieser Voraussetzung und nutzen die relativen Faber-Krahn-Abschätzungen für eine explizite Gaußsche Schranke. Für kompakte Mannigfaltigkeiten können wir sogar die Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung durch die sogenannte Kato-Bedingung ersetzen. In diesem Fall erhalten wir gleichmäßige Gaußsche Abschätzungen mit einer Gradientenabschätzung. Neben den geometrischen Verallgemeinerungen für Gaußsche Schranken nutzen wir unsere Ergebnisse, um Bochners Theorem zu verallgemeinern. Wärmeleitungskernabschätzungen ergeben ultrakontraktive Schranken für die Wärmeleitungshalbgruppe und die Halbgruppe, die durch den Hodge-Operator erzeugt wird. Damit können wir Starrheitseigenschaften für die erste Kohomologiegruppe zeigen, wenn der Teil der Ricci-Krümmung, welcher unter einem positiven Level liegt, in einem bestimmten Sinne klein genug ist. Wenn der Negativteil der Ricci-Krümmung nicht zu groß ist, können wir die erste Betti-Zahl noch immer explizit uniform abschätzen.

In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Spektralinvarianten von Polygonen und geschlossenen Orbiflächen konstanter Gaußkrümmung. Unsere Methode ist es jeweils den Wärmeleitungskern und die asymptotische Entwicklung der Wärmespur zu untersuchen. Als erstes untersuchen wir hyperbolische Polygone, d.h. relativ kompakte Gebiete in der hyperbolischen Ebene mit stückweise geodätischem Rand. Wir berechnen die asymptotische Entwicklung der Wärmespur bezüglich des Dirichlet-Laplace Operators eines beliebigen hyperbolischen Polygons, und wir erhalten explizite Formeln für alle Wärmeinvarianten. Analoge Resultate für euklidische und sphärische Polygone waren vorher bekannt. Wir vereinheitlichen diese Resultate und leiten die Wärmeinvarianten für beliebige Polygone her, d.h. für relativ kompakte Gebiete mit stückweise geodätischem Rand in einer vollständigen Riemann'schen Mannigfaltigkeit konstanter Gaußkrümmung. Es stellt sich heraus, dass die Wärmeinvarianten viele Informationen über ein Polygon liefern, falls die Krümmung nicht verschwindet. Zum Beispiel sind dann die Multimenge aller echten Winkel (d.h. derjenigen Winkel die ungleich Pi sind) und die Euler-Charakteristik eines Polygons Spektralinvarianten. Außerdem berechnen wir die asymptotische Entwicklung der Wärmespur von geschlossenen Riemann'schen Orbiflächen konstanter Krümmung und erhalten explizite Formeln für alle Wärmeinvarianten. Falls die Krümmung nicht verschwindet, so kann man interessante Informationen aus den Wärmeinvarianten über die Topologie und die singuläre Menge einer Orbifläche ermitteln. / In this thesis we deal with spectral invariants for polygons and closed orbisurfaces of constant Gaussian curvature. In each case our method is to study the heat kernel and the asymptotic expansion of the heat trace. First, we investigate hyperbolic polygons, i.e. relatively compact domains in the hyperbolic plane with piecewise geodesic boundary. We compute the asymptotic expansion of the heat trace associated to the Dirichlet Laplacian of any hyperbolic polygon, and we obtain explicit formulas for all heat invariants. Analogous results for Euclidean and spherical polygons were known before. We unify these results and deduce the heat invariants for arbitrary polygons, i.e. for relatively compact domains with piecewise geodesic boundary contained in a complete Riemannian manifold of constant Gaussian curvature. It turns out that the heat invariants provide much information about a polygon, if the curvature does not vanish. For example, then the multiset of all real angles (i.e. those which are not equal to pi) and the Euler characteristic of a polygon are spectral invariants. Furthermore, we compute the asymptotic expansion of the heat trace for any closed Riemannian orbisurface of constant curvature, and obtain explicit formulas for all heat invariants. If the curvature does not vanish, then it is possible to detect interesting information about the topology and the singular set of an orbisurface from the heat invariants.